基于DISLab的多功能流體探究儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

林芹平

(福建省莆田市教師進(jìn)修學(xué)院，福建 莆田 351100)

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·物理實(shí)驗(yàn)·

基于DISLab的多功能流體探究儀的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

林芹平

(福建省莆田市教師進(jìn)修學(xué)院，福建 莆田 351100)

基于DISLab設(shè)計(jì)一套多功能流體探究儀,用以研究流體力學(xué)中流速與過流斷面橫截面積的關(guān)系、壓強(qiáng)與流速的關(guān)系、機(jī)翼升力與流速的關(guān)系、風(fēng)阻與擋風(fēng)物形狀的關(guān)系及風(fēng)阻與風(fēng)速的關(guān)系等問題．

流體;壓強(qiáng)傳感器;力傳感器;風(fēng)洞;流速

1 課題選定

課堂演示“壓強(qiáng)與流速的關(guān)系”實(shí)驗(yàn)中,需要先向?qū)W生解釋流速與過流斷面的關(guān)系,通常教師采用的方法是理論推導(dǎo),即根據(jù)各處流量相等得出流速與橫截面積的關(guān)系．對于初中的學(xué)生,上述方法較為枯燥,且不好理解．為了能夠讓學(xué)生在課堂上對這個問題有一個更為直觀的、感性的認(rèn)識,亟須設(shè)計(jì)一套研究流速與過流斷面橫截面積大小關(guān)系的演示儀,該演示儀用在真實(shí)的課堂教學(xué)實(shí)踐中,能收到直觀的、降低難度的預(yù)期效果,基于此,設(shè)計(jì)了本“多功能流體探究儀”,該探究儀在具體實(shí)踐中,很好得解決了上述問題,除此之外,本探究儀還可以用來研究有關(guān)流體運(yùn)動現(xiàn)象的其他問題,如:壓強(qiáng)與流速的關(guān)系、飛機(jī)機(jī)翼升力與流速的關(guān)系、風(fēng)阻與擋風(fēng)物的形狀關(guān)系等問題．

2 項(xiàng)目設(shè)計(jì)(研究)基本思路

(1) 利用有機(jī)玻璃制成長寬高分別為90cm×10cm×10cm的風(fēng)洞體,選購150FLJ7 330W小型工頻離心風(fēng)機(jī)做為風(fēng)洞驅(qū)動系統(tǒng);

(2) 將GM8990測風(fēng)速儀改裝成風(fēng)洞風(fēng)速測量裝置;

(3) 采用組合法將DIS力傳感器及壓強(qiáng)傳感器等應(yīng)用于流體測量以實(shí)現(xiàn)定量研究;

(4) 設(shè)計(jì)多種不同形狀的擋風(fēng)物(擋風(fēng)截面相同),用力傳感器分別測出它們在氣流中受到的阻力,再利用風(fēng)洞風(fēng)速測量裝置測量氣流的速度,以此探究: (1) 風(fēng)速一定時,風(fēng)阻與擋風(fēng)物形狀的關(guān)系; (2) 擋風(fēng)物形狀一定時,風(fēng)阻與風(fēng)速的定量關(guān)系等．

3 項(xiàng)目簡介

(1) 主要制作材料.

90cm×25cm L型木板組合一塊、150FLJ7 330W小型工頻離心風(fēng)機(jī)、調(diào)壓電路、有機(jī)玻璃若干、KT板若干、GM8990測風(fēng)速儀、力傳感器、壓強(qiáng)傳感器、采集器、計(jì)算機(jī)、不同形狀的機(jī)翼模型等．

(2) 制作說明.

利用有機(jī)玻璃制成長寬高分別為90cm×10cm×10cm的風(fēng)洞體,選購150FLJ7 33W小型工頻離心風(fēng)機(jī)做為風(fēng)洞驅(qū)動系統(tǒng);

利用KT板拼接設(shè)計(jì)成可調(diào)節(jié)過流斷面橫截面積大小的裝置,用以靈活控制過流斷面的大小;

將GM8990測風(fēng)速儀改裝成風(fēng)洞風(fēng)速簡易測量裝置,葉輪與主體分離,以減少測量風(fēng)速時測速儀占用風(fēng)洞空間影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;

采用組合法將DIS力傳感器及壓強(qiáng)傳感器等應(yīng)用在流體測量中以實(shí)現(xiàn)定量研究;

利用有機(jī)玻璃制作“風(fēng)洞細(xì)出口”,設(shè)計(jì)多種不同形狀的擋風(fēng)物(擋風(fēng)截面相同),在力傳感器下掛上其中的一種,將該擋風(fēng)物置于“風(fēng)洞細(xì)出口”處,控制氣體的流速一定,分別測出不同形狀的擋風(fēng)物在氣流中受到的阻力,探究風(fēng)速一定時,風(fēng)阻與擋風(fēng)物形狀的關(guān)系;再利用簡易風(fēng)洞測量裝置測量風(fēng)速,探究擋風(fēng)物形狀一定時,風(fēng)阻與風(fēng)速的定量關(guān)系,根據(jù)探究結(jié)果可求出不同形狀物體的相對阻力系數(shù);側(cè)面固定壓強(qiáng)傳感器,測量寬窄過流斷面處的壓強(qiáng),可驗(yàn)證小型風(fēng)洞測速原理．

4 實(shí)測情況

實(shí)驗(yàn)1.研究流速與橫截面積的關(guān)系.

圖1 研究流速與橫截面積的關(guān)系設(shè)計(jì)圖

圖2 研究流速與橫截面積的關(guān)系實(shí)物圖

測量數(shù)據(jù)如表1.

表1

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:流量一定,氣體流速與截面面積成反比．

實(shí)驗(yàn)2.流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系.

利用KT板調(diào)節(jié)過流斷面橫截面積的大小,以此調(diào)節(jié)氣體的流速,同時利用DISLab壓強(qiáng)傳感器實(shí)時測量不同過流斷面內(nèi)的壓強(qiáng),實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖分別如圖3、圖4所示．

圖3 研究流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系設(shè)計(jì)圖

圖4 研究流體壓強(qiáng)與流速的關(guān)系實(shí)物圖

測量數(shù)據(jù)如表2.

表2

v2=2.5m/sp2=102.3kPa

流速v1/m·s-1壓強(qiáng)p/kPa2 5102 37 3102 210 3102 1

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:流體流速越快,壓強(qiáng)越?。?/p>

實(shí)驗(yàn)3.機(jī)翼升力與流速的關(guān)系.

如圖5所示,將機(jī)翼模型裝入風(fēng)洞體中間部位,下端固定DISLab力傳感器,用該力傳感器采集機(jī)翼模型的受力情況;利用風(fēng)速測量裝置實(shí)時測量風(fēng)速;同時將壓強(qiáng)傳感器探頭靠近機(jī)翼上下兩側(cè),實(shí)時采集壓強(qiáng)數(shù)據(jù)．實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)圖和實(shí)物圖分別如圖5、圖6所示．

圖5 研究機(jī)翼升力與流速的關(guān)系設(shè)計(jì)圖

圖6 研究機(jī)翼升力與流速的關(guān)系實(shí)物圖

測量數(shù)據(jù)如表3.

表3

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:機(jī)翼受到的升力與風(fēng)速有關(guān),其他條件不變時,風(fēng)速越大,升力越大．

實(shí)驗(yàn)4.研究不同形狀物體的風(fēng)阻.

將實(shí)驗(yàn)裝置旋轉(zhuǎn)90°放置,如圖7 所示．利用有機(jī)玻璃制作“風(fēng)洞細(xì)出口”,設(shè)計(jì)多種不同形狀但擋風(fēng)截面相同的擋風(fēng)物如圖8所示,在力傳感器下掛上其中的一種,將擋風(fēng)物置于“風(fēng)洞細(xì)出口”處,測出它在氣流中受到的阻力(有風(fēng)、無風(fēng)兩種情況下傳感器示數(shù)的差值);再利用簡易風(fēng)洞測量裝置測量風(fēng)速．

圖7 研究不同形狀物體的風(fēng)險(xiǎn)

圖8 擋風(fēng)物

圖9 研究不同形狀

物體的風(fēng)險(xiǎn)實(shí)物圖擋風(fēng)物的擋風(fēng)截面直徑為2.00cm,迎風(fēng)面積均為3.142cm2,風(fēng)速為7.8m/s．測量數(shù)據(jù)如表4.

表4

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:風(fēng)速相同時,平板受到的風(fēng)阻最大;圓柱測試物與平板擋風(fēng)截面積相同,但其有一定的導(dǎo)流作用,所以受到的風(fēng)阻比平板略小;風(fēng)阻最小的是流線體．

實(shí)驗(yàn)5.研究風(fēng)阻與風(fēng)速的關(guān)系.

以直徑為4cm、填充細(xì)沙的乒乓球作為研究對象,研究風(fēng)阻與風(fēng)速的關(guān)系,裝置如圖10所示．

圖10 研究風(fēng)阻與風(fēng)速的關(guān)系

測量數(shù)據(jù)如表5，擬合實(shí)驗(yàn)曲線如圖11所示.

表5

圖11

實(shí)驗(yàn)結(jié)論:其他條件不變,在誤差允許范圍內(nèi),物體受到的風(fēng)阻與速度的平方成正比．

5 創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 制作簡單,操作方便.

利用小型風(fēng)機(jī)與有機(jī)玻璃等自制的多功能流體探究儀,制作簡單,操作方便.

(2) 演示直觀,效果明顯.

利用DISlab采集數(shù)據(jù),可以直觀研究教材中流體力學(xué)方面的有關(guān)知識.

(3) 功能多樣.

通過簡單的組裝可以拓展研究流體力學(xué)中的相關(guān)問題,如:機(jī)翼升力與流速的關(guān)系、不同形狀的擋風(fēng)物的風(fēng)阻、風(fēng)阻與風(fēng)速的關(guān)系等．

6 項(xiàng)目展望

力傳感器為6系列,精度為0.01N,條件允許可嘗試采用8系列的力傳感器(精度為0.001N),如此效果將更佳．

目前周圍沒有3D打印機(jī),部分配件無法制作,機(jī)翼升力與機(jī)翼形狀和機(jī)翼迎角的關(guān)系、風(fēng)阻系數(shù)的測量等有待進(jìn)一步研究．

風(fēng)洞驅(qū)動及風(fēng)洞體偏小,對實(shí)驗(yàn)研究的精細(xì)有一定的阻礙．正在努力尋找合適的離心風(fēng)機(jī)來制作稍大型的風(fēng)洞體,以便深入研究流體力學(xué)的許多問題．

2017-01-26)